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BLE低功耗蓝牙或可检测社交距离

2021-12-29 14:28:00

写在前面

蓝牙耳机的自动连接，文件的隔空传送，地铁的测温器……这些都属于空间感知能力的范畴，相关技术的研发使我们的生活愈发的便捷。关于空间感知能力研发与应用的背后，都有哪些技术助力实现，今天我们一起来看一下。

空间感知能力，目前已经成为电子产品需要修炼的新技能。有了它，不仅能够知道被测对象存在与否，有时还能知道Ta是谁，以及Ta的距离、位置，甚至是运动的轨迹。人们对由此可能衍生出的新应用充满了期待。

不过，如今有一个更为现实的需求就摆在眼前，这就是在新冠疫情仍然肆虐的今天，如何利用空间感知技术帮助人们确认并保持彼此之间的社交距离。这个需求很容易理解，就是当两个人的距离小于规定的阈值时（比如2米），检测设备就会自动提出警告，让用户远离彼此。

如果更细致地描述这样一个设计需求，相关的要点应该包括下面几项：

具有足够的测量精度、视场和范围，且要尽可能减少误报情况的发生。

功耗要足够小，以满足设备长期使用的需要。

小型化，能够符合可穿戴的要求，或者是可以集成在一个标签里，方便携带，尽量减少用户的异物感。

容易获得，成本足够低，这其中既包括设备（如标签）本身的成本，也要考虑配套基础设施的成本，以及后续的运维成本。

除了简单的测距，可能还需要有能力获取其他一些相关的信息，或者对被测对象进行持续的追踪，以收集足够的数据对其行为做出准确的分析。

既然需求已经摆在那儿了，各种技术围绕着“社交距离检测”这个命题，也是八仙过海，各显神通，给出了不同的解决方案。想要实现上述的设计构想，目前有哪些技术路径可走？我们今天就来做一个盘点。

BLE低功耗蓝牙

想测量社交距离，大家首先想到的一个技术方案可能就是BLE低功耗蓝牙。这其中最主要的一个原因就是，BLE技术的普及度非常高，根据BIG的预测，到2021年预计将有130亿台支持蓝牙的物联网设备投入使用。这就使得BLE方案实施起来极为方便。加上BLE固有的低功耗和安全特性，做邻近检测非常适合。

BLE是通过接收信号强度指示器（Received Signal Strength Indicator，简称RSSI）的方法来测算距离的，也就是根据两个设备（或用户）通信信号强度和距离之间的关系来计算距离，当两者距离低于某个设定值后，就会触发后续的动作（如报警）。这样的BLE应用有不少，移植到社交距离检测这个新场景中并不难。

不过从原理上讲，传统的RSSI的测量精度有限，通常在3-10米，这对于某些要求较高精度的检测任务来说，实现起来可能会有些吃力；而且BLE工作使用的2.4GHz频段非常拥挤，信号间干扰也是一个潜在的问题，这都是BLE方案的短板。值得注意的是，在蓝牙5.1规范中，增加了寻向功能，这会令BLE获得更为精准的定位能力，未来与同领域的其他技术相比，仍然有的一拼。

UWB超宽带

正是考虑到BLE这类传统无线技术难以满足更高测量精度的要求，近年来UWB作为一种新兴的空间感知技术快速发展了起来。

UWB基于IEEE在802.15.4a/z标准，使用2ns脉冲信号，通过飞行时间（ToF）和到达角（AoA）来计算距离和定位，测量精度可以达到10cm以内。此外，与那些运行在2.4GHz频谱中的窄带无线方案不同，UWB是工作在6-8GHz频谱中具有500MHz带宽的方案，因此具有天生的抗干扰能力，即使在具有挑战性的射频环境中，也能提供非常稳定的连接。而且在802.15.4z标准中，UWB在信号的PHY包中添加了加密和随机数等保护机制，在安全性上也具有更突出的优势。这些特性叠加在一起，UWB几乎成了一个“完美”的精准安全测距解决方案。

值得一提的是，目前在很多UWB空间感知解决方案中，考虑到作用范围、功耗等要求，它往往是和BLE搭配使用的——比如在社交距离检测中，BLE通常是处于打开的状态，对邻近区域进行扫描和探测，当发现目标对象后再激活UWB进行精准的测距和定位。

在市场上，开发者已经可以很方便地获得这种包含UWB+BLE的商用解决方案。考虑到目前手机内置UWB功能已经成为了潮流，因此未来用户和市场对基于UWB的方案的接受度会不断提升，该方案获得和使用的门槛也会进一步降低。

超声波

实际上在测距这件事上，上述这些无线解决方案只能算是后来者，超声波技术才是这个领域当之无愧的“老司机”。但是具体到社交距离检测这个应用中，传统的超声波传感器虽然精度高（可以达到厘米级），但是其体积大，且视场只有180°，功耗上的表现也不算出众。如果想在新的空间感知领域获得一席之地，就必须有所创新。

针对这样的需求，TDK集团旗下的Chirp Microsystems公司开发出了一款超声波飞行时间（ToF）传感器CH101，它将压电超声波换能器（PMUT）、DSP和低功耗CMOS ASIC整合到一个大小仅为3.5mm × 3.5mm的芯片上，通过PMUT发射超声波脉冲并接收从物体反射的回波来计算距离，精度可以达到1cm。

与传统的超声波传感器相比，CH101外形极为紧凑，可集成到可穿戴标签、员工工牌等产品中。而且其运行功耗只有0.7mW——普通UWB芯片接收模式下的功耗约为400mW——这样的低功耗特性，使得一个小型近距离感应标签充电一次就能连续工作数天。如果需要支持360°的视场，用两个传感器就能实现。

可以说，CH101微型超声波传感器在尺寸、准确性、功耗等方面，与其他技术方案相比，都具有明显的优势。而且与无线方案相比，它还具有更低的误报率，这是因为无线技术可能会穿透墙壁或玻璃隔断，在人员彼此靠近但有物理隔离的情况下产生误报，而超声波传感器则不存在这个问题。

由此可见，凭借对于传统超声波技术的改造，低功耗超声传感器也是社交距离检测的一个重要技术选项。

地磁方案

上文也提到过，除了精准测量两个设备（用户）之间的距离，在确保安全社交时，还有一个需求就是要对用户建立持续、全局性的监测和洞察，这样才能在出现感染者时，对其可能的密切接触者进行科学的评估和筛选。实现这一功能，就需要将单纯的测距，扩展为室内定位。

如果是用无线通信技术来实现室内定位和用户追踪，为了提高精度就必须增加信标的数量，如果要扩大覆盖区域，还需要安装更多的的无线收发器和中继器，成本无疑会成为一个大问题。

为此，TDK开发了一套基于地磁信息的VENUE位置信息解决方案。其方法是，先为指定区域内（如办公楼）创建地磁图，然后利用用户手机内置的地磁传感器提供的信息，再与智能手机中的加速度计和陀螺仪等惯性传感器的信息相融合，进而对用户进行精准定位，定位的精度大约为2米——这对于追踪感染人员的接触者来说已经足够了。

由于无需安装新的设备和终端，而是充分利用用户手机中已有的传感器，因此基于地磁的解决方案部署和实施的便利性是个大优势。这样一来，用户只需携带安装有特殊应用程序的智能手机，并将他们所在楼层的位置和移动轨迹与匿名身份识别信息结合在一起，即可实现监测。同时，地磁方案也可以和BLE、Wi-Fi无线通信方案进行融合，以获取更全面的数据，提升洞察力。

而且基于这些数据，不仅可以识别直接接触者，还能够根据用户的行动轨迹、位置和停留的时长形成可视化的热图，直观地对他们的感染风险进行判断。

文末互动

社交距离的检测，其实只是诸多空间感知应用中的一个场景，而对它的探索，恰恰可以使得人们对于空间感知技术和应用的理解更为深入，也为新技术向其他领域的渗透和移植积累更大的势能。

原文标题：注意！你的社交距离……

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审核编辑：彭菁

指示器能力检测低功耗蓝牙